ITMI972839A1 - ELECTRIC CABLE HAVING AN EXPANDED SEMICONDUCTIVE LAYER - Google Patents
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Description
"CAVO ELETTRICO AVENTE UNO STRATO SEMICONDUTTIVO ESPANSO ELECTRICAL CABLE HAVING AN EXPANDED SEMICONDUCTIVE LAYER
La presente invenzione si riferisce ad elettrico, in particolare per il trasporto o la distribuzione di energia a media od alta tensione, dotato di uno strato semiconduttivo espanso il quale è in grado di assorbire elasticamente ed uniformemente le forze radiali di espansione e contrazione degli strati di rivestimento del cavo, dovute ai cicli termici a cui è soggetto il cavo stesso durante l'utilizzo. Nella presente descrizione, con il termine "media tensione" si intende una tensione compresa tra circa 1 kV e circa 30 kV, mentre con il termine "alta tensione" vengono comprese le tensioni superiori a 30 kV. The present invention relates to electrical, in particular for the transport or distribution of medium or high voltage energy, equipped with an expanded semiconductive layer which is able to elastically and uniformly absorb the radial forces of expansion and contraction of the layers of cable coating, due to the thermal cycles to which the cable is subjected during use. In the present description, the term "medium voltage" means a voltage between about 1 kV and about 30 kV, while the term "high voltage" includes voltages above 30 kV.
I cavi per il trasporto o la distribuzione di energia a media od alta tensione sono in genere costituiti da un conduttore metallico rivestito con un primo strato semiconduttivo interno, uno strato isolante, ed uno strato semiconduttivo esterno. Per alcune applicazioni, in particolare quando è richiesta una tenuta stagna verso l'esterno, il cavo viene racchiuso all'interno di uno schermo metallico, solitamente di alluminio o di piombo, costituito da un tubo continuo oppure da una banda metallica conformata in forma tubolare e saldata o sigillata in modo da garantire la tenuta stagna. In tali realizzazioni, lo schermo metallico, oltre a costituire una barriera in senso radiale rispetto alla penetrazione dell'acqua, svolge importanti funzioni di tipo elettrico e deve essere a contatto con lo strato semiconduttivo esterno. In particolare, una prima funzione dello schermo metallico è quella di creare all'interno del cavo un campo elettrico uniforme di tipo radiale ed allo stesso tempo di annullare il campo elettrico esterno al cavo stesso. Un'ulteriore funzione è quella di sopportare le correnti di cortocircuito . The cables for the transport or distribution of medium or high voltage energy generally consist of a metal conductor coated with a first internal semiconductive layer, an insulating layer, and an external semiconductive layer. For some applications, in particular when a watertight seal towards the outside is required, the cable is enclosed inside a metal screen, usually made of aluminum or lead, consisting of a continuous tube or a metal band shaped in a tubular shape and welded or sealed to ensure watertight integrity. In these embodiments, the metal screen, in addition to constituting a barrier in the radial direction with respect to the penetration of water, performs important functions of the electrical type and must be in contact with the external semiconductive layer. In particular, a first function of the metal screen is to create a uniform radial electric field inside the cable and at the same time to cancel the electric field outside the cable itself. A further function is to withstand short-circuit currents.
Durante l'utilizzo, il cavo è soggetto a cicli termici dovuti alle variazioni giornaliere nell'intensità della corrente trasportata, con corrispondenti variazioni di temperatura del cavo comprese tra la temperatura ambiente e la temperatura massima di esercizio (ad esempio tra 20°C e 90°C). Tali cicli termici causano dilatazione e successiva contrazione degli strati di rivestimento del cavo, con conseguenti sforzi radiali sullo scherno metallico. Quest'ultimo può pertanto subire deformazioni meccaniche con formazione di spazi vuoti tra schermo e strato semiconduttivo esterno e possibile generazione di disuniformità nel campo elettrico. Al limite, tali deformazioni possono portare alla rottura dello schermo, particolarmente nel caso in cui questo sia saldato od unito tramite un sigillante, e quindi a completa perdita della funzionalità dello schermo stesso. During use, the cable is subject to thermal cycles due to daily variations in the intensity of the transported current, with corresponding cable temperature variations between the ambient temperature and the maximum operating temperature (for example between 20 ° C and 90 ° ° C). These thermal cycles cause expansion and subsequent contraction of the cable coating layers, with consequent radial stresses on the metal shield. The latter can therefore undergo mechanical deformations with the formation of empty spaces between the screen and the external semiconductive layer and possible generation of non-uniformity in the electric field. In the limit, these deformations can lead to the breakage of the screen, particularly in the case in which this is welded or joined by means of a sealant, and therefore to complete loss of the functionality of the screen itself.
Per cercare di ovviare a tali inconvenienti, è possibile realizzare una nastratura dello strato semiconduttivo esterno con un materiale plastico avente proprietà semiconduttive, ad esempio poliestere pre-impregnato con una soluzione contenente nero di carbonio, il quale svolge una funzione di "cuscinetto" tra cavo e schermo metallico. Dal punto di vista produttivo, una soluzione di questo tipo comporta un notevole aumento dei costi ed una diminuzione della produttività, in quanto è necessario impiegare costosi nastri pre-impregnati ed aggiungere al processo di produzione del cavo uno stadio di nastratura. To try to overcome these drawbacks, it is possible to make a taping of the outer semiconductive layer with a plastic material having semiconductive properties, for example polyester pre-impregnated with a solution containing carbon black, which acts as a "buffer" between the cable and metal screen. From the production point of view, a solution of this type involves a considerable increase in costs and a decrease in productivity, since it is necessary to use expensive pre-impregnated tapes and to add a taping stage to the cable production process.
Un'altra possibile soluzione per cercare di smorzare l'effetto delle dilatazioni termiche sullo schermo metallico è quella di realizzare uno strato semiconduttivo esterno dotato di canali longitudinali con profilo a V. Una geometria di questo tipo da una parte garantisce il contatto elettrico tra strato semiconduttivo e schermo metallico, dall'altra dovrebbe aiutare il recupero elastico delle dilatazioni termiche da parte del materiale che costituisce lo strato semiconduttivo. Inoltre, i canali stessi possono essere utilizzati per contenere polveri di materiali igroespandenti , i quali impediscono la propagazione longitudinale dell'acqua che può eventualmente infiltrarsi al di sotto dello schermo metallico. Another possible solution to try to dampen the effect of thermal expansions on the metal screen is to create an external semiconductive layer equipped with longitudinal V-profile channels. A geometry of this type on one side guarantees the electrical contact between the semiconductive layer. and metal shield, on the other hand it should help the elastic recovery of the thermal expansions by the material that constitutes the semiconductive layer. Furthermore, the channels themselves can be used to contain powders of hygro-expanding materials, which prevent the longitudinal propagation of water that can possibly infiltrate under the metal screen.
Tuttavia, la realizzazione di tali canali longitudinali comporta l'utilizzo di uno strato semiconduttivo avente spessore elevato (attorno a 2 mm o più), con conseguente aumento del costo e del peso complessivo del cavo. Inoltre, la desiderata geometria dello strato semiconduttivo viene generalmente realizzata tramite un accurato processo di estrusione in cui si impiegano stampi opportunamente disegnati. Sulla base dell'esperienza della Richiedente, durante tale processo di estrusione è praticamente inevitabile la formazione di canali con geometria irregolare. Tali irregolarità geometriche possono dar luogo ad una distribuzione non uniforme della pressione esercitata sullo schermo metallico e quindi impedire allo strato semiconduttivo di svolgere correttamente la funzione di assorbimento elastico degli sforzi radiali. However, the realization of these longitudinal channels involves the use of a semiconductive layer having a high thickness (around 2 mm or more), with a consequent increase in the cost and overall weight of the cable. Furthermore, the desired geometry of the semiconductive layer is generally achieved through an accurate extrusion process in which suitably designed molds are used. On the basis of the Applicant's experience, the formation of channels with irregular geometry is practically inevitable during this extrusion process. These geometric irregularities can give rise to a non-uniform distribution of the pressure exerted on the metal screen and therefore prevent the semiconductive layer from correctly carrying out the function of elastic absorption of the radial stresses.
La Richiedente ha trovato che inserendo al di sotto dello schermo metallico uno strato di materiale polimerico espanso avente proprietà semiconduttive, quest'ultimo è in grado di assorbire elasticamente ed uniformemente le forze radiali di espansione e contrazione degli strati di rivestimento del cavo generate dai cicli termici a cui è soggetto il cavo stesso durante l'utilizzo. Tale strato da una parte garantisce la necessaria continuità elettrica tra cavo e schermo metallico, e dall'altra evita la deformazione dello schermo metallico causata dalle forze radiali di cui sopra. The Applicant has found that by inserting a layer of expanded polymeric material having semiconductive properties under the metal shield, the latter is able to elastically and uniformly absorb the radial forces of expansion and contraction of the cable coating layers generated by thermal cycles. the cable itself is subjected to during use. On the one hand, this layer guarantees the necessary electrical continuity between the cable and the metal screen, and on the other it avoids the deformation of the metal screen caused by the above radial forces.
In un primo aspetto, la presente invenzione riguarda pertanto un cavo elettrico comprendente un conduttore, almeno uno strato di rivestimento isolante ed uno schermo metallico esterno, caratterizzato dal fatto che detto cavo comprende inoltre uno strato di materiale polimerico espanso avente proprietà semiconduttive disposto al di sotto di detto schermo metallico. In a first aspect, the present invention therefore relates to an electric cable comprising a conductor, at least one layer of insulating coating and an external metal shield, characterized in that said cable further comprises a layer of expanded polymeric material having semiconductive properties arranged underneath. of said metal screen.
Nel seguito lo "strato di materiale polimerico espanso avente proprietà semiconduttive11 verrà indicato sinteticamente come "strato semiconduttivo espanso". In the following, the "layer of expanded polymeric material having semiconductive properties 11 will be briefly referred to as" expanded semiconductive layer ".
Con il termine "materiale polimerico espanso" si intende un materiale polimerico con una predeterminata percentuale di spazio "libero" all'interno del materiale, cioè non occupato dal polimero ma da un gas o da aria. The term "expanded polymeric material" means a polymeric material with a predetermined percentage of "free" space inside the material, ie not occupied by the polymer but by a gas or air.
In generale, la percentuale di spazio libero in un polimero espanso viene espressa tramite il grado di espansione (G), definito dalla seguente formula: In general, the percentage of free space in an expanded polymer is expressed by the degree of expansion (G), defined by the following formula:
G = (d0/de - 1)-100 G = (d0 / de - 1) -100
dove d0 indica la densità del polimero non espanso e de la densità apparente misurata sul polimero espanso. where d0 indicates the density of the unexpanded polymer and d the apparent density measured on the expanded polymer.
Il grado di espansione dello strato semiconduttivo secondo la presente invenzione può variare entro ampi limiti, sia in funzione dello specifico materiale polimerico impiegato, sia in funzione dello spessore del rivestimento che si intende ottenere. Il grado di espansione viene predeterminato in modo tale da garantire l'assorbimento elastico delle forze radiali di espansione e contrazione termica del cavo ed, allo stesso tempo, mantenere le proprietà semiconduttive. In generale, il grado di espansione può variare dal 5% al 500%, preferibilmente dal 10% al 200%. The degree of expansion of the semiconductive layer according to the present invention can vary within wide limits, both as a function of the specific polymeric material used and as a function of the thickness of the coating to be obtained. The degree of expansion is predetermined in such a way as to guarantee the elastic absorption of the radial forces of thermal expansion and contraction of the cable and, at the same time, to maintain the semiconductive properties. In general, the degree of expansion can vary from 5% to 500%, preferably from 10% to 200%.
Per quanto riguarda lo spessore dello strato semiconduttivo espanso secondo la presente invenzione, questo è pari ad almeno 0,1 mm, preferibilmente è compreso tra 0,2 e 2 mm, ancora più preferibilmente tra 0,3 e 1 mm. Spessori inferiori 0,1 mm sono in pratica di difficile realizzazione e consentono comunque una limitata compensazione della deformazione, mentre spessori superiori a 2 mm, pur non presentando in linea di principio inconvenienti funzionali, possono essere realizzati nel caso in cui specifiche esigenze ne giustifichino il maggior costo. As regards the thickness of the expanded semiconductive layer according to the present invention, this is equal to at least 0.1 mm, preferably between 0.2 and 2 mm, even more preferably between 0.3 and 1 mm. In practice, thicknesses of less than 0.1 mm are difficult to produce and in any case allow a limited compensation of the deformation, while thicknesses greater than 2 mm, while not presenting in principle functional drawbacks, can be created in the event that specific needs justify their higher cost.
In un ulteriore aspetto, la presente invenzione si riferisce ad un metodo per controllare il campo elettrico all'interno di un cavo in presenza di cicli termici, detto cavo comprendendo un conduttore, almeno uno strato di rivestimento isolante ed uno schermo metallico esterno, caratterizzato dal fatto che detto metodo comprende deformare elasticamente uno strato polimerico posto al di sotto di detto schermo metallico di un valore inferiore a quello che determina un distacco tra detto schermo metallico ed uno strato ad esso sottostante. In a further aspect, the present invention relates to a method for controlling the electric field inside a cable in the presence of thermal cycles, said cable comprising a conductor, at least one layer of insulating coating and an external metal screen, characterized by the fact that said method comprises elastically deforming a polymeric layer placed under said metal screen by a value lower than that which causes a detachment between said metal screen and a layer underlying it.
Secondo un aspetto preferito, tale metodo comprende deformare elasticamente uno strato polimerico espanso, detto strato espanso avendo preferibilmente proprietà semiconduttive . According to a preferred aspect, this method comprises elastically deforming an expanded polymeric layer, said expanded layer preferably having semiconductive properties.
Secondo un aspetto preferito, il cavo elettrico secondo la presente invenzione comprende inoltre uno strato semiconduttivo compatto disposto tra il rivestimento isolante e lo strato semiconduttivo espanso. According to a preferred aspect, the electric cable according to the present invention further comprises a compact semiconductive layer arranged between the insulating coating and the expanded semiconductive layer.
Con il termine "strato semiconduttivo compatto" si intende un strato in materiale semiconduttivo non espanso, cìoà con grado di espansióne nullo. The term "compact semiconductive layer" means a layer of non-expanded semiconductive material, that is, with a zero degree of expansion.
Secondo la percezione della Richiedente, tale strato semiconduttivo compatto può svolgere vantaggiosamente la funzione di evitare scariche parziali, e quindi il danneggiamento del cavo, dovute ad eventuali irregolarità nella superficie di interfaccia tra rivestimento isolante e strato semiconduttivo espanso. Tale funzione può essere svolta da uno strato semiconduttivo anche molto sottile, attorno a 0,1 mm od anche inferiore. Tuttavia, dal punto di vista della realizzazione pratica, è preferibile uno spessore compreso tra 0,2 e 1 mm, ancor più preferibilmente tra 0,2 e 0,5 mm. According to the Applicant's perception, this compact semiconductive layer can advantageously perform the function of avoiding partial discharges, and therefore damage to the cable, due to any irregularities in the interface surface between the insulating coating and the expanded semiconductive layer. This function can be performed by a semiconductive layer, even very thin, around 0.1 mm or even lower. However, from the point of view of practical embodiment, a thickness of between 0.2 and 1 mm, even more preferably between 0.2 and 0.5 mm, is preferable.
Secondo un ulteriore aspetto preferito, lo strato semiconduttivo espanso comprende un materiale igroespandente in forma di polvere. According to a further preferred aspect, the expanded semiconductive layer comprises a hygro-expanding material in the form of a powder.
La Richiedente ha infatti trovato che è possibile inglobare all1interno del materiale polimerico espanso un materiale igroespandente in forma di polvere, il quale è in grado di espandersi a contatto con l'acqua, impedendo la propagazione longitudinale dell'acqua che può eventualmente infiltrarsi al di sotto dello schermo metallico. Tale soluzione presenta numerosi vantaggi rispetto alla tecnica nota in cui la polvere igroespandente è semplicemente iniettata tra schermo metallico e strato semiconduttivo esterno, sfruttando ad esempio i canali longitudinali realizzati sullo strato semiconduttivo come descritto sopra. Infatti, lo strato espanso è in grado di inglobare il materiale igroespandente in quantità elevate, evitando la presenza di polveri libere che possono disperdersi nell'ambiente durante l'installazione del cavo. D'altra parte, la polvere igroespandente, pur essendo inglobata nel materiale espanso, è comunque in grado di espandersi quando messa a contatto con l'acqua e quindi di svolgere efficacemente la propria funzione di blocco dell'acqua. The Applicant has in fact found that it is possible to incorporate within the expanded polymeric material a hygro-expanding material in the form of powder, which is capable of expanding in contact with water, preventing the longitudinal propagation of water which may possibly infiltrate below. of the metal screen. This solution has numerous advantages with respect to the known art in which the hygro-expanding powder is simply injected between the metal screen and the external semiconductive layer, using for example the longitudinal channels formed on the semiconductive layer as described above. In fact, the expanded layer is able to incorporate the hygro-expanding material in high quantities, avoiding the presence of free dust that can be dispersed into the environment during the installation of the cable. On the other hand, the hygro-expanding powder, even though it is incorporated in the expanded material, is in any case capable of expanding when put into contact with water and therefore effectively performs its function of blocking the water.
Il materiale igroespandente è in genere costituito da un omopolimero o copolimero avente gruppi idrofili lungo la catena polimerica, ad esempio: acido poliacrilico reticolato e almeno parzialmente salificato {ad esempio i prodotti Cabloc® della C. F. Stockhausen GmbH, o Waterlock® della Sanyo); amido o suoi derivati in miscela con copolimeri tra acrilamide e sodio acrilato (ad esempio i prodotti SGP Absorbent Polymer® della Henkel AG); sodio carbossimetilcellulosa (ad esempio i prodotti Blanose® della Hercules Ine.). The hygro-expanding material generally consists of a homopolymer or copolymer having hydrophilic groups along the polymer chain, for example: cross-linked and at least partially salified polyacrylic acid (for example the Cabloc® products of C. F. Stockhausen GmbH, or Waterlock® of Sanyo); starch or its derivatives mixed with copolymers between acrylamide and sodium acrylate (for example the SGP Absorbent Polymer® products from Henkel AG); sodium carboxymethylcellulose (for example the Blanose® products of Hercules Ine.).
La Figura 1 mostra in sezione un esempio di realizzazione di un cavo elettrico secondo la presente invenzione, di tipo unipolare, per il trasporto di energia a media tensione. Figure 1 shows in section an example of embodiment of an electric cable according to the present invention, of the unipolar type, for the transport of medium voltage energy.
Tale cavo comprende un conduttore (1), uno strato semiconduttivo interno (2), uno strato'di isolante (3), uno strato semiconduttivo compatto (4), uno strato semiconduttivo espanso (5), uno schermo metallico (6), ed una guaina esterna (7). Such cable comprises a conductor (1), an internal semiconductive layer (2), an insulating layer (3), a compact semiconductive layer (4), an expanded semiconductive layer (5), a metal shield (6), and an outer sheath (7).
Il conduttore (1) è in genere costituito da fili metallici, preferibilmente in rame od alluminio, tra loro cordati secondo tecniche convenzionali. Lo schermo metallico (6), solitamente in alluminio o piombo, è formato da un tubo metallico continuo, oppure da una banda metallica conformata in forma tubolare e saldata o sigillata con un materiale adesivo in modo tale da garantire la tenuta stagna. Lo schermo metallico (6) viene solitamente rivestito con una guaina esterna (7), costituita da un materiale polimerico reticolato o non reticolato, ad esempio polivinilcloruro (PVC) o polietilene (PE). The conductor (1) generally consists of metal wires, preferably copper or aluminum, strung together according to conventional techniques. The metal screen (6), usually in aluminum or lead, is formed by a continuous metal tube, or by a metal band shaped in a tubular shape and welded or sealed with an adhesive material in such a way as to guarantee watertight integrity. The metal screen (6) is usually coated with an outer sheath (7), consisting of a cross-linked or non-cross-linked polymeric material, for example polyvinyl chloride (PVC) or polyethylene (PE).
Il materiale polimerico che costituisce lo strato semiconduttivo espanso può essere un qualunque tipo di polimero espandibile come ad esempio: poliolefine, copolimeri di olefine diverse, copolimeri olefine/esteri insaturi, poliesteri, policarbonati , polisulfoni, resine fenoliche, resine ureiche, e loro miscele. Esempi di polimeri adatti sono: polietilene (PE), in particolare PE a bassa densità (LDPE), PE a media densità (MDPE), PE ad alta densità (HDPE) e PE lineare a bassa densità (LLDPE); polipropilene (PP); copolimeri elastomerici etilenepropilene (EPM) o terpolimeri etilene-propilene-diene (EPDM); gomma naturale; gomma butilica; copolimeri etilene/vinilestere, ad esempio etilene/vinilacetato (ÈVA); copolimeri etilene/acrilato, in particolare etilene/metilacrilato (EMA), etilene/etilacrilato (EEA), etilene/butilacrilato (EBA); copolimeri termoplastici etilene/a-olefina; polistirene; resine acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS); polimeri alogenati, in particolare polivinilcloruro (PVC); poliuretano (PUR); poliammidi; poliesteri aromatici, come polietilen-tereftalato (PET) o polibutilentereftalato (PBT); e loro copolimeri o miscele meccaniche. The polymeric material which constitutes the expanded semiconductive layer can be any type of expandable polymer such as: polyolefins, copolymers of different olefins, olefin copolymers / unsaturated esters, polyesters, polycarbonates, polysulfones, phenolic resins, urea resins, and their mixtures. Examples of suitable polymers are: polyethylene (PE), in particular low density PE (LDPE), medium density PE (MDPE), high density PE (HDPE) and linear low density PE (LLDPE); polypropylene (PP); ethylene-propylene elastomeric copolymers (EPM) or ethylene-propylene-diene terpolymers (EPDM); natural rubber; butyl rubber; ethylene / vinyl ester copolymers, for example ethylene / vinyl acetate (ÈVA); ethylene / acrylate copolymers, in particular ethylene / methyl acrylate (EMA), ethylene / ethyl acrylate (EEA), ethylene / butyl acrylate (EBA); ethylene / a-olefin thermoplastic copolymers; polystyrene; acrylonitrile butadiene styrene resins (ABS); halogenated polymers, in particular polyvinyl chloride (PVC); polyurethane (PUR); polyamides; aromatic polyesters, such as polyethylene terephthalate (PET) or polybutylene terephthalate (PBT); and their copolymers or mechanical mixtures.
Preferibilmente, il materiale polimerico è un polimero o copolimero poliolefinico a base di etilene e/o propilene, ed è in particolare scelto tra: Preferably, the polymeric material is a polyolefin polymer or copolymer based on ethylene and / or propylene, and is in particular selected from:
(a) copolimeri dell'etilene con un estere etilenicamente insaturo, ad esempio vinilacetato o butilacetato, in cui la quantità di estere insaturo è compresa in genere tra 5 e 80% in peso, preferibilmente tra 10 e 50% in peso; (a) copolymers of ethylene with an ethylenically unsaturated ester, for example vinyl acetate or butyl acetate, in which the amount of unsaturated ester is generally comprised between 5 and 80% by weight, preferably between 10 and 50% by weight;
(b) copolimeri elastomerici etilene-propilene (EPR) o etilene-propilene-diene (EPDM), aventi preferibilmente la seguente composizione: 35-90% in moli di etilene, 10-65% in moli di propilene, 0-10% in moli di diene (ad esempio 1,4-esadiene o 5-etilidene-2-norbornene); (b) ethylene-propylene (EPR) or ethylene-propylene-diene (EPDM) elastomeric copolymers, preferably having the following composition: 35-90% by moles of ethylene, 10-65% by moles of propylene, 0-10% by moles of diene (for example 1,4-hexadiene or 5-ethylidene-2-norbornene);
(c) polipropilene modificato con copolimeri elastomerici EPR o EPDM, dove il rapporto in peso PP/EPR o PP/EPDM è compreso tra 90/10 e 30/70, preferibilmente tra 80/20 e 40/60. (c) polypropylene modified with EPR or EPDM elastomeric copolymers, where the weight ratio PP / EPR or PP / EPDM is comprised between 90/10 and 30/70, preferably between 80/20 and 40/60.
Ad esempio, rientrano nella classe (a) i prodotti commerciali Elvax® (Du Pont), Levapren® (Bayer), Lotryl® (Elf-Atochera), nella classe (b) i prodotti Dutral® (Enichem) o Nordel® (Dow-Du Pont), mentre PP modificati con EPR o EPDM sono reperibili sul mercato con i marchi Moplen® o Hifax® (Montell), oppure Fina-Pro® (Fina), e simili. For example, the commercial products Elvax® (Du Pont), Levapren® (Bayer), Lotryl® (Elf-Atochera), in class (b) the products Dutral® (Enichem) or Nordel® (Dow) are included in class (a) -Du Pont), while PP modified with EPR or EPDM are available on the market under the brands Moplen® or Hifax® (Montell), or Fina-Pro® (Fina), and the like.
Per impartire proprietà semiconduttive al materiale polimerico, possono essere utilizzati prodotti noti nella tecnica per la preparazione di composizioni polimeriche semiconduttive. In particolare, si può impiegare un nero di carbonio elettroconduttivo, ad esempio nero di acetilene o nero di fornace elettroconduttivo, e simili. L'area superficiale del nero di carbonio è generalmente superiore a 20 m2/g, solitamente compresa tra 40 e 500 m2/g. E1 altresì possibile impiegare un nero di carbonio ad elevata conduttività, con un'area superficiale di almeno 900 m2/g, quale ad esempio il nero di carbonio da fornace noto commercialmente con il marchio Ketjenblack® EC (Akzo Chemie NV). To impart semiconductive properties to the polymeric material, products known in the art for the preparation of semiconductive polymeric compositions can be used. In particular, an electroconductive carbon black, for example acetylene black or electroconductive furnace black, and the like, can be used. The surface area of carbon black is generally greater than 20 m2 / g, usually between 40 and 500 m2 / g. It is also possible to use a carbon black with high conductivity, with a surface area of at least 900 m2 / g, such as for example the furnace carbon black known commercially under the brand name Ketjenblack® EC (Akzo Chemie NV).
La quantità di nero di carbonio da aggiungere alla matrice polimerica può variare in funzione del tipo di polimero e di nero di carbonio impiegati, del grado di espansione che si intende ottenere, dell'agente espandente, ecc. La quantità di nero di carbonio deve essere comunque tale da impartire sufficienti proprietà semiconduttive al materiale espanso, in particolare tale da ottenere un valore di resistività volumetrica del materiale espanso, a temperatura ambiente, inferiore a 500 Ω-m, preferibilmente inferiore a 20 Ω-m. Tipicamente, la quantità di nero di carbonio può variare tra 5 e 80%, preferibilmente tra 10 e 70%, in peso rispetto al peso del polimero. The quantity of carbon black to be added to the polymer matrix can vary according to the type of polymer and carbon black used, the degree of expansion to be obtained, the expanding agent, etc. The quantity of carbon black must in any case be such as to impart sufficient semiconductive properties to the foam material, in particular such as to obtain a volumetric resistivity value of the foam material, at room temperature, lower than 500 Ω-m, preferably lower than 20 Ω- m. Typically, the amount of carbon black can vary between 5 and 80%, preferably between 10 and 70%, by weight with respect to the weight of the polymer.
Lo strato semiconduttivo compatto eventualmente presente tra rivestimento isolante e strato semiconduttivo espanso, così come lo strato semiconduttivo interno, anch'esso di tipo compatto, vengono realizzati secondo tecniche note, in particolare tramite estrusione, scegliendo un materiale polimerico ed un nero di carbonio tra quelli indicati sopra per lo strato semiconduttivo espanso. The compact semiconductive layer possibly present between the insulating coating and the expanded semiconductive layer, as well as the internal semiconductive layer, also of the compact type, are made according to known techniques, in particular by extrusion, choosing a polymeric material and a carbon black from those indicated above for the expanded semiconductive layer.
Lo strato isolante viene preferibilmente realizzato tramite estrusione di una poliolefina scelta tra quelle indicate sopra per lo strato semiconduttivo espanso, in particolare polietilene, polipropilene, copolimeri etilenepropilene, e simili. Dopo l'estrusione, il materiale viene preferibilmente reticolato secondo tecniche note, ad esempio tramite perossidi o via silani. The insulating layer is preferably made by extrusion of a polyolefin selected from those indicated above for the expanded semiconductive layer, in particular polyethylene, polypropylene, ethylene propylene copolymers, and the like. After extrusion, the material is preferably cross-linked according to known techniques, for example by means of peroxides or via silanes.
Lo strato semiconduttivo espanso può essere realizzato tramite estrusione del materiale polimerico semiconduttivo sull'anima del cavo, cioè l'insieme di conduttore (1), strato semiconduttivo interno (2), strato isolante (3) ed eventuale strato semiconduttivo compatto (6). L'anima del cavo può essere anche'essa realizzata tramite estrusione, in particolare coestrusione dei tre strati secondo tecniche note . The expanded semiconductive layer can be made by extruding the semiconductive polymeric material on the core of the cable, that is the set of conductor (1), internal semiconductive layer (2), insulating layer (3) and possible compact semiconductive layer (6). The core of the cable can also be made by extrusion, in particular coextrusion of the three layers according to known techniques.
L'espansione del polimero viene normalmente effettuata durante la fase di estrusione. Tale espansione può avvenire sia per via chimica, mediante aggiunta di un adatto agente espandente, in grado cioè di sviluppare un gas in determinate condizioni di pressione e temperatura, oppure per via fisica, mediante iniezione di gas ad alta pressione direttamente nel cilindro dell'estrusore. The expansion of the polymer is normally carried out during the extrusion step. This expansion can take place either chemically, by adding a suitable expanding agent, that is capable of developing a gas under certain conditions of pressure and temperature, or physically, by injecting high pressure gas directly into the extruder cylinder. .
Esempi di adatti agenti espandenti sono: azodicarbammide, paratoluensulfonilidrazide, miscele di acidi organici (ad esempio acido citrico) con carbonati e/o bicarbonati (ad esempio bicarbonato di sodio), e simili. Examples of suitable blowing agents are: azodicarbamide, paratoluensulfonylhydrazide, mixtures of organic acids (for example citric acid) with carbonates and / or bicarbonates (for example sodium bicarbonate), and the like.
Esempi di gas da iniettare ad alta pressione nel cilindro dell'estrusore sono: azoto, anidride carbonica, aria, idrocarburi basso-bollenti, ad esempio propano o butano, idrocarburi alogenati, ad esempio cloruro di metilene, triclorofluorometano, 1-cloro-l,1-difluoroetano, e simili, o loro miscele. Examples of gases to be injected at high pressure into the extruder cylinder are: nitrogen, carbon dioxide, air, low-boiling hydrocarbons, for example propane or butane, halogenated hydrocarbons, for example methylene chloride, trichlorofluoromethane, 1-chloro-1, 1-difluoroethane, and the like, or mixtures thereof.
Preferibilmente, lo stampo della testa dell'estrusore avrà un diametro leggermente inferiore al diametro finale del cavo con rivestimento espanso che si intende ottenere, in modo tale che l'espansione del polimero all'esterno dell'estrusore porti al raggiungimento del diametro desiderato . Preferably, the mold of the extruder head will have a diameter slightly smaller than the final diameter of the cable with expanded coating to be obtained, so that the expansion of the polymer outside the extruder leads to the achievement of the desired diameter.
È stato osservato che, a parità di condizioni di estrusione (come velocità di rotazione della vite, velocità della linea di estrusione, diametro della testa dell'estrusore, e così via) una delle variabili di processo che maggiormente influenza il grado di espansione è la temperatura di estrusione. In generale, per temperature di estrusione inferiori a 130°C difficilmente si ottiene un sufficiente grado di espansione; la temperatura di estrusione è preferibilmente di almeno 140°C, in particolare circa 180°C. Normalmente, ad un aumento della temperatura di estrusione corrisponde un grado di espansione maggiore. It has been observed that, under the same extrusion conditions (such as rotation speed of the screw, speed of the extrusion line, diameter of the extruder head, and so on) one of the process variables that most influences the degree of expansion is the extrusion temperature. In general, for extrusion temperatures below 130 ° C it is difficult to obtain a sufficient degree of expansion; the extrusion temperature is preferably at least 140 ° C, in particular about 180 ° C. Normally, an increase in the extrusion temperature corresponds to a greater degree of expansion.
Inoltre, è possibile controllare in qualche misura il grado di espansione del polimero agendo sulla velocità di raffreddamento. Infatti, ritardando o anticipando opportunamente il raffreddamento del polimero che forma il rivestimento espanso all'uscita dell'estrusore si può aumentare o diminuire il grado di espansione di detto polimero. Furthermore, it is possible to control to some extent the degree of expansion of the polymer by acting on the cooling rate. In fact, by suitably delaying or anticipating the cooling of the polymer which forms the expanded coating at the outlet of the extruder, the degree of expansion of said polymer can be increased or decreased.
II materiale polimerico espanso può essere reticolato o non reticolato. La reticolazione può essere realizzata, dopo la fase di estrusione ed espansione, secondo tecniche note, in particolare tramite riscaldamento in presenza di un iniziatore radicalico, ad esempio un perossido organico quale il dicumilperossido. In alternativa, si può realizzare una reticolazione via silani, la quale prevede l'impiego di un polimero come quelli indicati sopra, in particolare una poliolefina, a cui siano stati legati covalentemente unità silaniche comprendenti almeno un gruppo idrolizzabile, ad esempio gruppi trialcossisilano, in particolare trimetossisilano . L'innesto delle unità silaniche può avvenire per reazione radicalica con composti silanici, ad esempio metiltrietossisilano, dimetildietossi-silano, vinildimetossisilano, e simili. La reticolazione viene condotta in presenza di acqua e di un catalizzatore di reticolazione, ad esempio un titanato organico oppure un carbossilato metallico. Particolarmente preferito è il dilaurato di dibutilstagno (DBTL). The expanded polymeric material can be cross-linked or non-cross-linked. The crosslinking can be carried out, after the extrusion and expansion step, according to known techniques, in particular by heating in the presence of a radical initiator, for example an organic peroxide such as dicumyl peroxide. Alternatively, crosslinking via silanes can be carried out, which involves the use of a polymer such as those indicated above, in particular a polyolefin, to which silane units comprising at least one hydrolyzable group, for example trialkoxysilane groups, have been covalently bonded. particular trimethoxysilane. The grafting of the silane units can occur by radical reaction with silane compounds, for example methyl triethoxysilane, dimethyldietoxy silane, vinyl dimethoxysilane, and the like. The crosslinking is carried out in the presence of water and a crosslinking catalyst, for example an organic titanate or a metal carboxylate. Particularly preferred is dibutyltin dilaurate (DBTL).
Una volta realizzato lo strato semiconduttivo espanso, il cavo viene racchiuso all'interno dello schermo metallico. Secondo una forma preferita di realizzazione, il diametro dello strato semiconduttivo espanso in assenza di forze applicate è superiore al diametro interno dello schermo metallico, in modo tale da ottenere dopo applicazione dello schermo metallico un predeterminato grado di precompressione dello strato semiconduttivo espanso. Tale precompressione permette di realizzare un ottimale contatto tra strato semiconduttivo espanso e schermo metallico e può consentire di recuperare una possibile deformazione residua dello strato semiconduttivo espanso, ovvero un certo grado di deformazione plastica dello schermo metallico, durante la fase di contrazione termica dello strato isolante. Once the expanded semiconductive layer has been made, the cable is enclosed within the metal shield. According to a preferred embodiment, the diameter of the expanded semiconductive layer in the absence of applied forces is greater than the internal diameter of the metal screen, so as to obtain, after application of the metal screen, a predetermined degree of prestressing of the expanded semiconductive layer. This prestressing allows to make an optimal contact between the expanded semiconductive layer and the metal shield and can allow to recover a possible residual deformation of the expanded semiconductive layer, or a certain degree of plastic deformation of the metal shield, during the thermal contraction phase of the insulating layer.
Lo schermo metallico può essere infine rivestito con una guaina di protezione, ottenibile ad esempio tramite estrusione di un materiale polimerico, solitamente polivinilcloruro o polietilene. Finally, the metal screen can be coated with a protective sheath, obtainable for example by extrusion of a polymeric material, usually polyvinyl chloride or polyethylene.
Per descrivere ulteriormente l'invenzione, vengono forniti qui di seguito alcuni esempi illustrativi. To further describe the invention, some illustrative examples are given below.
ESEMPI 1-5 EXAMPLES 1-5
Sono state preparate alcune mescole adatte a formare lo strato semiconduttivo espanso secondo la presente invenzione. Le composizioni sono riportate in Tabella 1 (in parti in peso per 100 parti in peso di polimero di base, phr). I vari componenti della mescola sono stati miscelati in un mescolatore chiuso tipo Banbury (1,2 1 di volume utile), caricando prima il polimero base, quindi, dopo breve lavorazione, il nero di carbonio, l'eventuale polvere igroespandente e gli altri additivi. La miscelazione è stata condotta per circa 6 min a 150°C. Some blends suitable for forming the expanded semiconductive layer according to the present invention have been prepared. The compositions are reported in Table 1 (in parts by weight per 100 parts by weight of base polymer, phr). The various components of the compound were mixed in a closed Banbury-type mixer (1.2 1 of useful volume), first loading the base polymer, then, after a short processing, the carbon black, any hygro-expanding powder and the other additives. . The mixing was carried out for about 6 min at 150 ° C.
Al termine della miscelazione, alla mescola è stato aggiunto l'agente espandente previo raffreddamento del materiale fino a circa 100°C allo scopo di evitare la decomposizione anticipata dell'agente espandente che causerebbe un'espansione del polimero non controllata. La mescola è stata quindi stampata per compressione a 160°C impiegando un telaio di dimensioni 200x200 mm ed altezza 3 mm. La mescola è stata aggiunta in quantità tale da ottenere uno strato iniziale di altezza pari ad 1 mm, in modo da lasciare spazio sufficiente all'espansione del polimero. At the end of the mixing, the expanding agent was added to the mixture after cooling the material up to about 100 ° C in order to avoid the premature decomposition of the expanding agent which would cause an uncontrolled expansion of the polymer. The mixture was then molded by compression at 160 ° C using a frame with dimensions of 200x200 mm and a height of 3 mm. The mixture was added in such a quantity as to obtain an initial layer with a height of 1 mm, in order to leave sufficient space for the expansion of the polymer.
Sui provini così ottenuti sono state misurate: On the specimens thus obtained, the following were measured:
- la densità apparente, e quindi, conoscendo la densità del materiale non espanso, è stato calcolato il grado di espansione secondo la formula riportata in precedenza; - the bulk density, and therefore, knowing the density of the non-expanded material, the degree of expansion was calculated according to the formula reported above;
- la resistività di volume a temperatura ambiente. - the volume resistivity at room temperature.
I dati sono riportati in Tabella 1. The data are reported in Table 1.
I campioni degli Esempi 4 e 5, contenenti la polvere igroespandente, sono stati posti in acqua: si è osservata un'immediata espansione della polvere igroespandente fino ad un volume circa triplo rispetto al volume iniziale. The samples of Examples 4 and 5, containing the hygro-expanding powder, were placed in water: an immediate expansion of the hygro-expanding powder was observed up to a volume about three times the initial volume.
Elvax® 470 (Du Pont) : copolimero etilene/vinilacetato (ÈVA) (18% VA, Melt Index 0,7); Elvax® 470 (Du Pont): ethylene / vinyl acetate copolymer (ÈVA) (18% VA, Melt Index 0.7);
Elvax® 265 (Du Pont) : copolimero ÈVA (28% VA, Melt Index 3,0); Elvax® 265 (Du Pont): ÈVA copolymer (28% VA, Melt Index 3.0);
Dutral® TER 40-54 (Enichem) : terpolimero elastomerico etilene/propilene/5-etilidene-2-norbornene ; Dutral® TER 40-54 (Enichem): elastomeric terpolymer ethylene / propylene / 5-ethylidene-2-norbornene;
Nero N472 : nero di carbonio da fornace; Black N472: furnace carbon black;
Ketjenblack® EC (Akzo Chemie): nero di carbonio da fornace ad alta conduttività; Ketjenblack® EC (Akzo Chemie): high conductivity furnace carbon black;
Hydrocerol® CF70 : agente espandente acido carbossilico/sodio bicarbonato (Boeheringer Ingelheim). Hydrocerol® CF70: carboxylic acid / sodium bicarbonate blowing agent (Boeheringer Ingelheim).
ESEMPIO 6 EXAMPLE 6
Utilizzando la composizione polimerica dell'Esempio 4, è stato realizzato un cavo per media tensione secondo lo schema costruttivo riportato in Fig. 1. Using the polymeric composition of Example 4, a medium voltage cable was made according to the construction scheme shown in Fig. 1.
L'anima del cavo su cui effettuare la deposizione dello strato semiconduttivo espanso era costituita da un conduttore in alluminio con sezione 70 mm2, rivestito con i seguenti strati reticolati con perossido su linea catenaria: The core of the cable on which to carry out the deposition of the expanded semiconductive layer was constituted by an aluminum conductor with a section of 70 mm2, coated with the following layers cross-linked with peroxide on the catenary line:
- uno strato semiconduttivo interno in EPR (spessore 0,5 mm); - an internal semiconductive EPR layer (0.5 mm thick);
- uno strato isolante in EPR (spessore 5,5 mm); - an EPR insulating layer (5.5 mm thick);
- uno strato semiconduttivo esterno (compatto) in ÈVA contenente il 35% in peso di nero di carbonio N472 (spessore 0,5 mm). - an external (compact) semiconductive layer in ÈVA containing 35% by weight of carbon black N472 (thickness 0.5 mm).
Su tale anima (avente diametro esterno di circa 23 mm) si è proceduto alla deposizione dello strato semiconduttivo espanso contenente la polvere espandente, avente la composizione riportata in Tabella 1 per l'Esempio 4. Si è utilizzato un estrusore monovite 80 mm in configurazione 25 D. L'estrusore è stato equipaggiato con tratto iniziale del cilindro a rigature longitudinali, bocchetta del tipo a scatola e vite a filetto di travaso di lunghezza 25 D. La profondità del canale della vite era pari a 9,6 mm in zona di alimentazione e pari a 7,2 mm nel tratto finale, per un rapporto di compressione complessivo della vite di circa 1 : 1,33. On this core (having an external diameter of about 23 mm) we proceeded to the deposition of the expanded semiconductive layer containing the expanding powder, having the composition reported in Table 1 for Example 4. A single screw extruder 80 mm in configuration 25 was used D. The extruder was equipped with an initial stroke of the cylinder with longitudinal grooves, a box-type nozzle and a 25-length transfer thread screw D. The depth of the screw channel was equal to 9.6 mm in the feeding area and equal to 7.2 mm in the final section, for an overall compression ratio of the screw of approximately 1: 1.33.
A valle dell'estrusore si è impiegata una testa d'estrusione ortogonale a riscaldamento elettrico, equipaggiata con convogliatore a doppia linea di sutura. E' stato utilizzato il seguente montaggio degli stampi: maschio con diametro 24 mm, femmina a compressione con diametro 24 mm. Lo stampo maschio è stato scelto con l'obiettivo di consentire un agevole passaggio per l'anima da rivestire, con un diametro superiore di circa 1 mm rispetto al diametro dell'anima da rivestire. Lo stampo femmina è stato invece scelto con diametro leggermente inferiore al diametro finale da ottenere, in maniera tale da impedire che l'espansione del materiale avvenga all'interno della testa d'estrusione. Downstream of the extruder, an electrically heated orthogonal extrusion head was used, equipped with a double suture line conveyor. The following assembly of the molds was used: male with 24 mm diameter, compression female with 24 mm diameter. The male mold was chosen with the aim of allowing an easy passage for the core to be coated, with a diameter greater than about 1 mm compared to the diameter of the core to be coated. The female mold was instead chosen with a diameter slightly smaller than the final diameter to be obtained, in such a way as to prevent the expansion of the material from taking place inside the extrusion head.
Per l'estrusore e la testa d'estrusione si è utilizzato il seguente profilo termico (°C): The following thermal profile (° C) was used for the extruder and the extrusion head:
La velocità di avanzamento dell'anima da rivestire è stata impostata in funzione dello spessore di materiale espanso desiderato. Nel nostro caso si è utilizzata una velocità di linea pari a 1,2 m/min. In queste condizioni, si sono registrati i seguenti parametri di estrusione: The advancement speed of the core to be coated was set according to the desired thickness of foam material. In our case, a line speed of 1.2 m / min was used. Under these conditions, the following extrusion parameters were recorded:
Velocità rotazione estrusore : 1,2 rpm; Extruder rotation speed: 1.2 rpm;
Diametro semilavorato a caldo : 25,0 mm; Hot semi-finished diameter: 25.0 mm;
Diametro semilavorato a freddo : 24,8 mm. Semi-finished cold-worked diameter: 24.8 mm.
Il raffreddamento del semilavorato è stato effettuato in aria. E' stato evitato il contatto diretto con l'acqua di raffreddamento per non incorrere in problemi di rigonfiamento accidentale della polvere tamponante. Successivamente il semilavorato ottenuto è stato avvolto su bobina. The cooling of the semi-finished product was carried out in air. Direct contact with the cooling water was avoided to avoid accidental swelling problems of the buffering powder. Subsequently, the semi-finished product obtained was wound on a reel.
Il materiale è stato deposto sull'anima con spessore di circa 1 mm. L'espansione dello stesso è stata ottenuta per via chimica, aggiungendo in tramoggia circa il 2% dell'agente espandente Hydrocerol® CF 70 (acido carbossilico sodio bicarbonato) della Boehringer Ingelheim. The material was deposited on the core with a thickness of about 1 mm. The expansion of the same was obtained chemically, by adding approximately 2% of the expanding agent Hydrocerol® CF 70 (carboxylic acid sodium bicarbonate) from Boehringer Ingelheim to the hopper.
Su campioni dello strato semiconduttivo espanso così ottenuto sono state effettuate delle misure di conducibilità elettrica e del grado di espansione. Il grado di espansione misurato è di circa il 20%. On samples of the expanded semiconductive layer thus obtained, measurements of electrical conductivity and the degree of expansion were carried out. The degree of expansion measured is approximately 20%.
Sono inoltre state effettuate prove di espansione del materiale in presenza di acqua (effetto tamponante): il materiale si è rigonfiato, grazie alla presenza della polvere tamponante, fino ad un volume di circa 3 volte il volume iniziale. Furthermore, expansion tests were carried out on the material in the presence of water (buffering effect): the material swelled, thanks to the presence of the buffering powder, up to a volume of approximately 3 times the initial volume.
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